CN103900491B - 基于受激布里渊原理的三芯光纤空间形状测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
基于受激布里渊原理的三芯光纤空间形状测量装置及方法属于精密仪器制造及测量技术；所述装置结构是：三芯光纤扇出器与三芯光纤分布传感器光缆连接，三芯光纤分布传感器光缆由三芯光纤、保护套和高反射银膜构成，多路光开关与三芯光纤分布传感器光缆和隔绝外应力封装的参考光纤光缆连接，控制计算机分别与电光调制器A和B、多路光开关、频谱分析仪连通，频谱分析仪与平衡光电探测器连通；所述测量方法是：利用探测光与泵浦光在特定位置发生受激布里渊散射，采用相干检测技术探测微弱散射光信号完成空间形状测量。本装置具有非局域效应不明显、精度高、对环境不敏感、可以依附在被测构件表面实时测量以及使用寿命长的特点。
Description
技术领域
本发明属于精密仪器制造及测量技术，特别涉及一种基于受激布里渊原理的三芯光纤空间形状测量装置及方法。
背景技术
随着航空航天工业、汽车工业、电子工业以及尖端工业等的不断发展，对于空间形状测量(复杂曲面的三维面形测量、智能材料的复杂形变等)的需求急剧增长。由于受到测量时间、采样点密度的限制，空间形状测量变得十分困难，尤其是多变、恶劣的测量环境使得传统的空间形状测量方法无法满足需求。以往的空间形状测量中，使用较多的方法有样板测量法、结构光三维视觉测量法和iGPS测量法等。
样板测量法是一种最为经典的曲面形状检验方法，它是利用设计时的截面参数制造数个截面的一维样板，通过在相应的截面位置观察其截面样板与被测截面之间的透光量判断其形状差。该方法简单、直观，是现今工业生产中的最常用的接触式检验手段。由于其检验时需要借助人眼判断透光量，无法精确给出其型面数据。不同的截面形状需要不同的截面样板，样板的需求量很大，成本很高。
结构光三维视觉测量法中，测量系统主要由结构光投射装置、图像传感器、图像采集及处理系统组成。测量原理是向被测物体投射一定结构的光模型如点光源、线光源、十字光条、正弦光栅和编码光，结构光受被测物体表面信息的调制而发生形变，利用图像传感器记录变形的结构光条纹图像，并结合系统的结构参数来获取物体的三维信息。这种方法以较低廉的光学、电子和数字硬件设备为基础，以较高的速度和精度获取和处理大量的三维数据。但是，这种方法容易受外接环境光线和气流的影响并且容易产生遮挡，不适合用于多变、恶劣的测量环境，如飞机在高速飞行中的机翼、机舱形状的实时测量。
iGPS测量法是一种坐标测量技术。该方法中，处于测量点位置的多个靶标可以接收多个室内发射器(基站)的信号，每个靶标可以独立的计算它们当前的位置并确立测量点在测量坐标系中的坐标。该方法具有很高的测量精度。但是，该方法只能手动逐点地测量，测量效率低，不具有实时测量的能力。
发明内容
本发明是针对上述现有空间形状测量方法存在的问题提出的，其目的是提供一种可以在多变、恶劣的测量环境中实现复杂空间形状实时测量的基于受激布里渊原理的三芯光纤空间形状测量装置及方法，实现不受环境影响的空间形状测量。
本发明的技术解决方案是：
一种基于受激布里渊原理的三芯光纤空间形状测量装置，包括窄带宽可调激光器、50/50光耦合器A、50/50光耦合器B、电光调制器A、电光调制器B、掺铒光纤放大器、50/50光耦合器C、光环形器、多路光开关、平衡光电探测器、50/50光耦合器D和声光调制器，所述窄带宽可调激光器与50/50光耦合器A、50/50光耦合器A与50/50光耦合器B和电光调制器A、电光调制器A与掺铒光纤放大器、掺铒光纤放大器与50/50光耦合器C、50/50光耦合器B分别与电光调制器B和声光调制器通过单模光纤连接形成通路；所述50/50光耦合器C与光环形器、光环形器与多路光开关、多路光开关与三芯光纤扇出器通过单模光纤连接形成通路；所述声光调制器与50/50光耦合器D、50/50光耦合器D与平衡光电探测器和光环形器通过单模光纤连接形成通路；所述三芯光纤扇出器与三芯光纤分布传感器光缆连接，所述三芯光纤分布传感器光缆由纤芯均布配置的三芯光纤和配置在三芯光纤外部的保护套构成，在保护套的一侧端面上设置高反射银膜，所述高反射银膜将三芯光纤的一侧端面完全覆盖；所述多路光开关与隔绝外应力封装的参考光纤光缆经单模光纤连接形成通路；控制计算机通过电缆分别与电光调制器A、电光调制器B、多路光开关、频谱分析仪连通，所述频谱分析仪通过电缆与平衡光电探测器连通。
一种基于受激布里渊原理的三芯光纤空间形状测量方法，该方法是：窄带宽可调激光器发出的光被50/50光耦合器A分成两束光信号，其中一束光信号经过电光调制器A调制成为脉冲泵浦光信号，另一束经50/50光耦合器B分光成两束光信号；所述两束光信号，一束光信号经电光调制器B移频调制成为双边带探测光信号，包含频域中双边带光信号低频分量和频域中双边带光信号高频分量，另一路光信号经声光调制器上移频成为相干检测的本振光信号；所述双边带探测光信号在T0时刻由控制计算机向电光调制器B发出控制命令，经过光环形器、多路光开关、三芯光纤扇出器进入三芯光纤分布传感器光缆中三芯光纤的一根纤芯，被三芯光纤分布传感器光缆一侧端面的高反射银膜反射而反向传输；所述泵浦光信号在T1时刻由控制计算机向电光调制器A发出控制命令，经过光环形器、多路光开关、三芯光纤扇出器进入三芯光纤分布传感器光缆中三芯光纤的一根纤芯；所述的双边带探测光信号与泵浦光信号在三芯光纤分布传感器光缆中三芯光纤的一根纤芯内部某点相遇，由于受激布里渊散射效应发生能量耦合，形成受激布里渊散射信号；所述的受激布里渊散射信号经光环形器与本振光信号经50/50光耦合器D进入平衡光电探测器发生光学相干，形成相干信号；所述的相干信号由频谱分析仪检测并分析能量耦合强弱即受激布里渊散射的增益(损耗)，通过扫描电光调制器B对双边带探测光信号移频的量，可以绘制探测光与泵浦光发生受激布里渊散射的增益(损耗)谱，进而确定与应力、温度有关的受激布里渊频移量；所述多路光开关在控制计算机的控制下切换三芯光纤分布传感器光缆中三芯光纤和隔绝外应力封装的参考光纤光缆作为测量光路；所述的双边带探测光信号发射时刻T0和泵浦光信号发射时刻T1，调整T0与T1的间隔，可以控制双边带探测光信号和泵浦光信号在三芯光纤分布传感器光缆中三芯光纤和隔绝外应力封装的参考光纤光缆内发生受激布里渊散射的位置即测量应力、温度的位置；按上述方法，连续调整T0与T1的间隔，可以获得三芯光纤分布传感器光缆的应力、温度分布和隔绝外应力封装的参考光纤光缆的温度分布，进而获得无温度耦合的三芯光纤分布传感器光缆应力分布信息，根据三芯光纤分布传感器光缆中三芯光纤的三根纤芯的应力分布可以重建三芯光纤分布传感器光缆的三维空间形状。
本发明的优点是：
1.基于受激布里渊原理的三芯光纤空间形状测量装置及方法具有信噪比高、因泵浦光消耗引起的非局域效应不明显、精度高、对环境不敏感、可以依附在被测构件表面实时测量以及使用寿命长的特点。
2.三芯光纤分布传感器光缆体积小、重量轻，既可以依附在待测构件表面也可以埋入构件内部使用；光学探测信号仅在光纤内部传输，将空间位置信息转化为布里渊频移量的改变，测量时不受空间遮挡效应和空气流动的影响。
3.在三芯光纤分布传感器光缆外部并列设置一根隔绝外应力封装的参考光纤光缆，消除了环境温度变化对测量的影响，大大提高了传感器对环境的适应能力，可以满足多变、恶劣环境下的测量要求。
附图说明
图1是基于受激布里渊原理的三芯光纤空间形状测量装置结构示意图；
图2是三芯光纤分布传感器光缆示意图；
图3是图2中A-A剖面图；
图4是基于受激布里渊原理的三芯光纤空间形状测量方法的信号示意图；
图5是三芯光纤分布传感器光缆传感原理的示意图；
图6是三芯光纤分布传感器光缆的一个测量实例示意图，图中本发明正在测量一架客机的机翼。
图中：11.窄带宽可调激光器，12. 50/50光耦合器(A)，13. 50/50光耦合器(B)，14.电光调制器(A)，15.电光调制器(B)，16.掺铒光纤放大器，17 50/50光耦合器(C)，18光环形器，19多路光开关，110.三芯光纤扇出器，111.三芯光纤分布传感器光缆，112.隔绝外应力封装的参考光纤光缆，113.射频频谱分析仪，114.平衡光电探测器，115. 50/50光耦合器(D)，116.声光调制器，117.控制计算机，21.三芯光纤，22.保护套，23.高反射银膜，31.窄带宽可调激光器输出光经电光调制器A调制后频域和时域中的光信号，32.窄带宽可调激光器输出光经电光调制器A调制后频域中的光信号，33.窄带宽可调激光器输出光经电光调制器A调制后时域中的光信号，34.窄带宽可调激光器输出光经电光调制器B调制后频域中的双边带探测光信号，35.频域中双边带光信号低频分量f-f0，36.调制前窄带宽可调激光器输出光的频率f，37.频域中双边带光信号高频分量f+f0，38.频域中三芯光纤分布传感器光缆中参与受激布里渊散射能量耦合的光信号，39.频域中双边带光信号低频分量f-f0，310.调制前窄带宽可调激光器输出光的频率f，311.频域中双边带光信号高频分量f+f0，312.窄带宽可调激光器输出光经声光调制器调制后的频移本振光信号，313.调制前窄带宽可调激光器输出光的频率f，314.频域中声光移频后的f+80Mhz本振光信号，315.发生受激布里渊散射能量耦合后进入平衡光电探测器前的频域光信号，316.频域中被放大的双边带光信号高频分量f+f0，317.调制前窄带宽可调激光器输出光的频率f，318.频域中声光移频后的f+80Mhz本振光信号，319.频域中被损耗的双边带光信号低频分量f-f0。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细描述：
一种基于受激布里渊原理的三芯光纤空间形状测量装置，包括窄带宽可调激光器11、50/50光耦合器(A)12、50/50光耦合器(B)13、电光调制器(A)14、电光调制器(B)15、掺铒光纤放大器16、50/50光耦合器(C)17、光环形器18、多路光开关19、平衡光电探测器114、50/50光耦合器(D)115和声光调制器116，所述窄带宽可调激光器11与50/50光耦合器(A)12、50/50光耦合器(A)12与50/50光耦合器(B)13和电光调制器(A)14、电光调制器(A)14与掺铒光纤放大器16、掺铒光纤放大器16与50/50光耦合器(C)17、50/50光耦合器(B)13分别与电光调制器(B)15和声光调制器116通过单模光纤连接形成通路；所述50/50光耦合器(C)17与光环形器18、光环形器18与多路光开关19、多路光开关19与三芯光纤扇出器110通过单模光纤连接形成通路；所述声光调制器116与50/50光耦合器(D)115、50/50光耦合器(D)115与平衡光电探测器114和光环形器18通过单模光纤连接形成通路；所述三芯光纤扇出器110与三芯光纤分布传感器光缆111连接，所述三芯光纤分布传感器光缆111由纤芯均布配置的三芯光纤21和配置在三芯光纤21外部的保护套22构成，在保护套22的一侧端面上设置高反射银膜23，所述高反射银膜23将三芯光纤21的一侧端面完全覆盖；所述多路光开关19与隔绝外应力封装的参考光纤光缆112经单模光纤连接形成通路；控制计算机117通过电缆分别与电光调制器(A)14、电光调制器(B)15、多路光开关19、频谱分析仪113连通，所述频谱分析仪113通过电缆与平衡光电探测器114连通。
一种基于受激布里渊原理的三芯光纤空间形状测量方法，窄带宽可调激光器11发出的光被50/50光耦合器(A)12分成两束光信号，其中一束光信号经过电光调制器(A)14调制成为脉冲泵浦光信号31，另一束经50/50光耦合器(B)13分光成两束光信号；所述两束光信号，一束光信号经电光调制器(B)15移频调制成为双边带探测光信号34，包含频域中双边带光信号低频分量35和频域中双边带光信号高频分量37，另一路光信号经声光调制器116上移频成为相干检测的本振光信号314；所述双边带探测光信号34在T0时刻由控制计算机117向电光调制器(B)15发出控制命令，经过光环形器18、多路光开关19、三芯光纤扇出器110进入三芯光纤分布传感器光缆111中三芯光纤21的一根纤芯，被三芯光纤分布传感器光缆111一侧端面的高反射银膜23反射而反向传输；所述泵浦光信号31在T1时刻由控制计算机117向电光调制器(A)14发出控制命令，经过光环形器18、多路光开关19、三芯光纤扇出器110进入三芯光纤分布传感器光缆111中三芯光纤21的一根纤芯；所述的双边带探测光信号34与泵浦光信号31在三芯光纤分布传感器光缆111中三芯光纤21的一根纤芯内部某点相遇，由于受激布里渊散射效应发生能量耦合38，形成受激布里渊散射信号；所述的受激布里渊散射信号经光环形器18与本振光信号318经50/50光耦合器(D)115进入平衡光电探测器114发生光学相干，形成相干信号；所述的相干信号由频谱分析仪113检测并分析能量耦合强弱即受激布里渊散射的增益(损耗)，通过扫描电光调制器(B)15对双边带探测光信号34移频的量，可以绘制探测光与泵浦光发生受激布里渊散射的增益(损耗)谱，进而确定与应力、温度有关的受激布里渊频移量；所述多路光开关19在控制计算机117的控制下切换三芯光纤分布传感器光缆111中三芯光纤21和隔绝外应力封装的参考光纤光缆112作为测量光路；所述的双边带探测光信号34发射时刻T0和泵浦光信号31发射时刻T1，调整T0与T1的间隔，可以控制双边带探测光信号34和泵浦光信号31在三芯光纤分布传感器光缆111中三芯光纤21和隔绝外应力封装的参考光纤光缆112内发生受激布里渊散射的位置即测量应力、温度的位置；按上述方法，连续调整T0与T1的间隔，可以获得三芯光纤分布传感器光缆111的应力、温度分布和隔绝外应力封装的参考光纤光缆112的温度分布，进而获得无温度耦合的三芯光纤分布传感器光缆111应力分布信息，根据三芯光纤分布传感器光缆111中三芯光纤21的三根纤芯的应力分布可以重建三芯光纤分布传感器光缆111的三维空间形状。
本发明的工作过程如下：
基于受激布里渊原理的三芯光纤空间形状测量装置及方法的测量过程，如图6所示，将三芯光纤分布传感器光缆111依附在一架客机的机翼的表面(或将其埋入机翼内部)，此时三芯光纤分布传感器光缆111将根据机翼表面的形状变化即三芯光纤分布传感器光缆111的空间形状就是待测机翼的空间形状。由于三芯光纤分布传感器光缆111在空间中发生变形，其内部的三芯光纤21将受到应力作用，可以采用基于受激布里渊散射的测量装置和方法测量三芯光纤21内部的应力分布，进而重建空间形状。
基于受激布里渊原理的三芯光纤空间形状测量装置及方法是这样工作的：窄带宽可调激光器11工作在波长1540nm(对应光频率为f)、光谱线宽为500kHz、连续发光、防跳模状态。其输出的光首先被分成两路，一路被电光调制器(A)14调制为脉冲泵浦光信号，脉冲宽度为τ；另一路又被分成两路，一路被电光调制器(B)15调制成双边带探测光信号34，另一路被声光调制器116调制为上移频80Mhz的本振光信号。在测量三芯光纤光缆时，控制计算机117在T0时刻向三芯光纤传感器光缆111的三芯光纤21中的一个纤芯输入双边带探测光信号，之后，在T1时刻向三芯光纤传感器光缆111的三芯光纤21中的一个纤芯输入泵浦光信号。双边带探测光信号和泵浦光信号将在三芯光纤光缆中的一个位置相遇并发生受激布里渊散射，相遇位置可由ΔT＝T1-T1控制。当二者相遇时，将发生受激布里渊散射，信号示意图4中38的三个光信号将发生能量耦合，未调制的窄带宽可调激光器泵浦光310为双边带高频分量311作为探测光的斯托克斯光，311的能量将向310进行耦合；双边带低频分量39为未调制的窄带宽可调激光器泵浦光310作为探测光的斯托克斯光，310的能量将向39进行耦合。为了提高探测的信噪比，在检测布里渊散射信号时采用了相干测量的方式，布里渊散射信号316、319与本振光318产生拍频，进一步由平衡光电探测器114检测，由射频频谱分析仪113输出频谱。
探测光可以作为一个探针，沿着光纤光缆进行扫描，完成沿途各个位置的受激布里渊频移测量。对双边带移频光信号的移动频率±f0进行扫描，根据射频频谱分析仪113的输出信号将可以得到布里渊增益曲线。而当±f0满足受激布里渊散射移频量时，能量耦合达到最强即双边带低频信号的强度达到最大(最小)，可以获得特定位置的受激布里渊频移量。多路光开关19在控制计算机117的控制下切换三芯光纤分布传感器光缆111中三芯光纤21和隔绝外应力封装的参考光纤光缆112作为测量光路，可以对三芯光纤分布传感器光缆111的应力、温度分布和隔绝外应力封装的参考光纤光缆112的温度分布进行测量。应变和温度对受激布里渊频移量的影响参数分别为4.48Mhz/mε和1.18Mhz/℃，隔绝外应力封装的参考光纤光缆112可以提供温度分布信息，可以从应力、温度耦合中解耦三芯光纤分布传感器光缆111中三芯光纤21的三根纤芯的应力分布，利用三根纤芯的应力信息可以对整个传感器光缆的空间形状进行重构如图5所示，完成待测构件空间形状的测量。
Claims (2)
1.一种基于受激布里渊原理的三芯光纤空间形状测量装置，包括窄带宽可调激光器(11)、50/50光耦合器A(12)、50/50光耦合器B(13)、电光调制器A(14)、电光调制器B(15)、掺铒光纤放大器(16)、50/50光耦合器C(17)、光环形器(18)、多路光开关(19)、平衡光电探测器(114)、50/50光耦合器D(115)和声光调制器(116)，所述窄带宽可调激光器(11)与50/50光耦合器A(12)、50/50光耦合器A(12)与50/50光耦合器B(13)和电光调制器A(14)、电光调制器A(14)与掺铒光纤放大器(16)、掺铒光纤放大器(16)与50/50光耦合器C(17)、50/50光耦合器B(13)分别与电光调制器B(15)和声光调制器(116)通过单模光纤连接形成通路；所述50/50光耦合器C(17)与光环形器(18)、光环形器(18)与多路光开关(19)、多路光开关(19)与三芯光纤扇出器(110)通过单模光纤连接形成通路；所述声光调制器(116)与50/50光耦合器D(115)、50/50光耦合器D(115)与平衡光电探测器(114)和光环形器(18)通过单模光纤连接形成通路；其特征在于：所述三芯光纤扇出器(110)与三芯光纤分布传感器光缆(111)连接，所述三芯光纤分布传感器光缆(111)由纤芯均布配置的三芯光纤(21)和配置在三芯光纤(21)外部的保护套(22)构成，在保护套(22)的一侧端面上设置高反射银膜(23)，所述高反射银膜(23)将三芯光纤(21)的一侧端面完全覆盖；所述多路光开关(19)与隔绝外应力封装的参考光纤光缆(112)经单模光纤连接形成通路；控制计算机(117)通过电缆分别与电光调制器A(14)、电光调制器B(15)、多路光开关(19)、频谱分析仪(113)连通，所述频谱分析仪(113)通过电缆与平衡光电探测器(114)连通。
2.根据权利要求1所述的一种基于受激布里渊原理的三芯光纤空间形状测量装置的测量方法，其特征在于：窄带宽可调激光器(11)发出的光被50/50光耦合器A(12)分成两束光信号，其中一束光信号经过电光调制器A(14)调制成为脉冲泵浦光信号(31)，另一束光信号经50/50光耦合器B(13)分光成两束光信号；所述两束光信号，一束光信号经电光调制器B(15)移频调制成为双边带探测光信号(34)，包含频域中双边带光信号低频分量(35)和频域中双边带光信号高频分量(37)，另一路光信号经声光调制器(116)上移频成为相干检测的本振光信号(314)；所述双边带探测光信号(34)在T0时刻由控制计算机(117)向电光调制器B(15)发出控制命令，经过光环形器(18)、多路光开关(19)、三芯光纤扇出器(110)进入三芯光纤分布传感器光缆(111)中三芯光纤(21)的一根纤芯，被三芯光纤分布传感器光缆(111)一侧端面的高反射银膜(23)反射而反向传输；所述泵浦光信号(31)在T1时刻由控制计算机(117)向电光调制器A(14)发出控制命令，经过光环形器(18)、多路光开关(19)、三芯光纤扇出器(110)进入三芯光纤分布传感器光缆(111)中三芯光纤(21)的一根纤芯；所述的双边带探测光信号(34)与泵浦光信号(31)在三芯光纤分布传感器光缆(111)中三芯光纤(21)的一根纤芯内部某点相遇，由于受激布里渊散射效应发生能量耦合(38)，形成受激布里渊散射信号；所述的受激布里渊散射信号经光环形器(18)与本振光信号(318)经50/50光耦合器D(115)进入平衡光电探测器(114)发生光学相干，形成相干信号；所述的相干信号由频谱分析仪(113)检测并分析能量耦合强弱即受激布里渊散射的增益或损耗，通过扫描电光调制器B(15)对双边带探测光信号(34)移频的量，绘制探测光与泵浦光发生受激布里渊散射的增益或损耗谱，进而确定与应力、温度有关的受激布里渊频移量；所述多路光开关(19)在控制计算机(117)的控制下切换三芯光纤分布传感器光缆(111)中三芯光纤(21)和隔绝外应力封装的参考光纤光缆(112)作为测量光路；所述的双边带探测光信号(34)发射时刻T0和泵浦光信号(31)发射时刻T1，调整T0与T1的间隔，可以控制双边带探测光信号(34)和泵浦光信号(31)在三芯光纤分布传感器光缆(111)中三芯光纤(21)和隔绝外应力封装的参考光纤光缆(112)内发生受激布里渊散射的位置即测量应力、温度的位置；按上述方法，连续调整T0与T1的间隔，可以获得三芯光纤分布传感器光缆(111)的应力、温度分布和隔绝外应力封装的参考光纤光缆(112)的温度分布，进而获得无温度耦合的三芯光纤分布传感器光缆(111)应力分布信息，根据三芯光纤分布传感器光缆(111)中三芯光纤(21)的三根纤芯的应力分布重建三芯光纤分布传感器光缆(111)的三维空间形状。
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